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Block C - Renal Physiology Water, Sodium and Potassium Balance

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Module XII Water, Sodium & Potassium Balance INTRODUCTION: The kidneys, by regulating the concentration of extracellular sodium, play a vital role in extracellular  fluid volume homeostasis. Sodium is the primary cation of the ECF and therefore is an important osmotic agent.  The cell, on the other hand, has the Na­K ATPase pump that maintains a low intracellular sodium concentration.  Therefore, an increase or decrease in the extracellular sodium concentration will result in water movement  between the intracellular and extracellular compartments in order to maintain osmotic equilibrium between these  two major fluid compartments. For example: The ingestion of isotonic saline will result in expansion of the extracellular fluid compartment (volume)  only. The ingestion of water will cause an expansion of both the ECF and the ICF compartments. Why? The ingestion of pure salt will result in an increase in ECF at the expense of the ICF compartment. Why? What these examples illustrate is the important principle that the total body content of sodium is the  major determinant of the ECF volume. The processes by which the kidneys maintain salt and water balance is  the main topic of this unit. From what you have studied so far, it should be obvious that the kidneys are essential organs. However,  there is a fairly large safety factor in renal function. The kidneys are still able to function at a sufficient capacity  as long as at least 10 percent of the nephrons are functioning. If kidney function is compromised, however, the  condition may progress to what is termed end stage renal disease. End stage renal disease can result in impaired  regulation of ECF volume, disturbances of sodium metabolism, disorders of potassium metabolism, acid base  disturbances and even disruption of hormonal function. The unit begins with a section on total­body water and sodium balance. Figure 20­2 depicts water  balance in the body. Notice how the daily intake is exactly balanced by the daily loss, illustrating the balancing  function of the kidneys. WATER: • To maintain a constant volume of water, water intake must equal water ouput o Average daily intake = 2.5L/day  2.2L from food & drink   0.3L from metabolism o Average daily loss = 2.5L/day  0.9L from insensible water loss  1.5L from urine  0.1L from feces Insensible Water Loss: Water loss across the skin & in exhaled air of which we are not normally aware. SODIUM & WATER REABSORPTION: It is important to keep in mind that the volume of the extracellular fluid depends primarily upon the  amount of sodium in the body. When sodium is gained or lost from the body the volume of the extracellular fluid  increases or decreases. 1 Module XII Water, Sodium & Potassium Balance The following are some important points about sodium and water handling by the kidney. • Sodium reabsorption is a primary active process. • Water reabsorption occurs by osmosis and is dependent upon the reabsorption of sodium. • The proximal tubule always reabsorbs sodium and water in the same proportions. • The fluid leaving the proximal tubule is isosmotic to plasma...300 mOsmol/L. • The water permeability of the nephron segments beyond the proximal tubule vary considerably and are  under physiological control. Sodium reabsorption in several nephron segments is coupled to the reabsorption or secretion of other  substances such as glucose, amino acids, hydrogen, potassium and chloride ions. Vasopressin Controls Water Reabsorption: • Vasopressin makes the collecting duct more permeable to water by causing insertion of water pores into  the apical membrane (aquaporins) o Allows water to move out by osmosis  ▯Carried away by vasa recta capillaries o Concentrates urine • Permeability is not all or none – it is variable Step­by­Step Water Reabsorption: 1. Vasopressin binds to membrnde receptor 2. Receptor activates cAMP 2  messenger system 3. Cell inserts AQP2 water pores into apical membrane 4. Water is absorbed by osmosis into the blood Aldosterone Controls Sodium Reabsorption: • Reabsorption takes place in the distal tubules and collecting ducts of the kidney • Regulated by aldosterone + o The more aldosterone, the more Na  reabsorption • Primary target is principal cells (P cells) o P cells contain leak channels for Na Step­by­Step Sodium Reabsorption: 1. Aldosterone combines with a cytoplasmic receptor a. Enters P cells by simple diffusion 2. Hormone­receptor complex initiates transcription in the nucleus a. New protein channels and pumps made 3. Aldosterone­induced proteins modify exsting proteins 4. Result is increased Na  reabsorption & K  secretion Water Reabsorption Sodium Reabsorption Separately regulated in the distal nephron + + Water doesn’t automatically follow Na  reabsorption Na  reabsorption in the proximal tubule is  Vasopressin must be present to make the distal­ automatically followed by water reabsorption nephron epithelium permeable to water Proximal tubule epithelium is always freely permeable  2 Module XII Water, Sodium & Potassium Balance to water URINE CONCENTRATION: THE COUNTERCURRENT MULTIPLIER SYSTEM The countercurrent multiplier system is very important to know since it is the means by which the  kidneys can produce hyperosmotic urine. This ability is a major determinant of a person's ability to survive for a  time without water intake. Figure 20­10, illustrates the operation of the renal countercurrent multiplier system in  the formation of hyperosmotic urine. Notice how the osmolarity of the tubular fluid changes as the tubular fluid  moves around the loop of Henle. Figure 20­6 illustrates the actions of ADH (vasopressin) on epithelial cells of the collecting duct. Can  you explain how a concentrated urine or a dilute urine would be produced? Using the values presented in these  figures, what do you expect would be the osmolarity of urine that has been maximally diluted? Hyperosmotic Medullary Interstitium: • Key to kidney’s ability to produce concentrated urine is the high osmolarity of the medullary  interstitium (interstitial fluid compartment of the kidney) • Created as a result of the countercurrent exchange systems o Anatomical arrangement of vessels so that flow in one vessel is in the opposite direction from  flow in the adjacent vessel o i.e.) Loop of Henle • Renal countercurrent multiplier has 2 components o Loops of Henle o Peritubular capillaries known as the vasa recta Countercurrent Exchange in the Medulla of the Kidney: 1. Filtrate entering the descending limb of the Loop of Henle become progressively more concentrated as it  loses water 2. Blood in the vasa recta removes water leaving the Loop of Henle + + ­ 3. The ascending limb of the Loop of Henle pumps out Na , K , Cl & filtrate to create dilute urine i. Active reabsorption of ions creates a dilute filtrate in the lumen  1200 mOsm enters ascending loop  ▯Salt reabsorption into ICF  Water cannot follow solute  ▯100 mOsm leaves the loop Role of the Vasa Recta: • The vasa recta are the peritubular capillaries in the kidney that dip into the medulla & then go back up to  the cortex (forming hairpin loops) • Carry away water leaving the nephron tubule o Therefore the water doesn’t dilute the medullary interstitium • Plays an important role in keeping the medullary solute concentration high How is Dilute Urine Produced in the Loop of Henle? • As the blood flows deeper into the medulla through the loop, it loses water and picks up solutes  transported out of the ascending loop o Carries these solutes further into the medulla • By the time the blood reached the bottom of the vasa recta loop, it has a high osmolarity o High Osm, attracts water being lost from the descending limb 3 Module XII Water, Sodium & Potassium Balance o Movement of this water into the vasa recta decreases blood Om while preventing water from  diluting the concentrated interstitial fluid • End result is blood flowing through vasa recta removes water reabsorbed from loop of Henle ROLE OF VASOPRESSIN (ADH) IN CONCENTRATED URINE: • Vasopressin secretion increases renal water reabsorption o Kidneys conserve water (by reabsorbing water from filtrate) and concentrate the urine • With maximal vasopressin, the collecting duct is freely permeable to water o Water leaves by osmosis  & is carried away by the vasa recta capillaries o Urine is concentrated • Removal of excess water in urine is diuresis CONTROL OF VASOPRESSIN SECRETION: • Vasopressin secretion controlled by plasma osmolarity, blood volume and blood pressure o Osmoreceptors & barareceptors • Most potent stimuli for vasopressin release is high osmolarity or low BP Osmoreceptors • Very powerful stimuli for ADH release found in the hypothalamus o Increase their firing rate as osmolarity increases o When osmoreceptors shrink, they depolarize • BELOW 280 mOsm? Don’t fire, STOPS ADH RELEASE from pituitary • ABOVE 280 mOsm? Fire, STIMULATES ADH RELEASE from pituitary Baroreceptors  • Less powerful stimuili for ADH release • When BP or BV is LOW, receptors signal the hypothalamus to SECRETE ADH and  conserve fluid Renal Water Regulation Total­body water is regulated mainly by reflexes that alter the secretion of antidiuretic hormone  (vasopressin). Both osmoreceptors and baroreceptors have control over the secretion of vasopressin. Figure 20­ 7 illustrates the osmoreceptor and baroreceptor pathways by which vasopressin secretion is increased. It is  important that you understand the reflex pathways involved in water regulation. Step­by­Step High Osmolarity: Step­by­Step Low BP Osm 280+ stimulates hyp
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